光譜分析軟件在天文學(xué)研究中的應(yīng)用探索

李子碩

摘要：隨著天文學(xué)發(fā)展步伐的加快，天文學(xué)研究者越來(lái)越注重在天文學(xué)研究中使用適宜的科學(xué)研究方法，為天文學(xué)的發(fā)展注入新的發(fā)展力量。其中，光譜分析軟件在天文學(xué)研究中的廣泛應(yīng)用，對(duì)天文學(xué)起到了巨大的推動(dòng)作用。本文簡(jiǎn)單介紹光譜分析數(shù)據(jù)的形成及光譜分析軟件數(shù)據(jù)的特征的表達(dá)方式，最后著重講解目前7種典型的，常見(jiàn)的光譜分析軟件。

關(guān)鍵詞：光譜分析軟件天文學(xué)研究應(yīng)用探索

21世紀(jì)以來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于科學(xué)信息及宇宙探索的渴望，使得天文學(xué)以驚人的速度快速發(fā)展。天文觀(guān)測(cè)進(jìn)一步從可見(jiàn)光、射電波段擴(kuò)展到包括紅外、紫外、X射線(xiàn)和γ射線(xiàn)在內(nèi)的電磁波各個(gè)階段，形成了全波段天文光譜學(xué)，并為探索各類(lèi)天體和天文現(xiàn)象的物理本質(zhì)提供了強(qiáng)有力的觀(guān)測(cè)手段。

一、光譜分析數(shù)據(jù)的形成

對(duì)于天體光譜分析數(shù)據(jù)的有效研究表明，光譜分析數(shù)據(jù)是按照波長(zhǎng)的有序排列來(lái)表示的天體電磁輻射，是一系列有連續(xù)性的數(shù)據(jù)，在每一處的波長(zhǎng)中所對(duì)應(yīng)的的有效流量是不同的。天文學(xué)家利用光譜信息軟件，可以對(duì)宇宙中物質(zhì)的分布特征進(jìn)行相關(guān)研究及數(shù)據(jù)收集，同時(shí)可以對(duì)天體的形成及隨時(shí)間的演化等重大科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行初步的探索，并為進(jìn)一步的探索打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

二、光譜分析數(shù)據(jù)的特征提取方法

特征提取是光譜分析軟件應(yīng)用中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘的重要一步。對(duì)于海量天體光譜數(shù)據(jù)處理的效率及準(zhǔn)確性有著重要的影響，這一環(huán)節(jié)中包括轉(zhuǎn)換和選擇兩個(gè)步驟，首先著重提取與目標(biāo)有關(guān)的信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)成分分析，剔除與當(dāng)前任務(wù)無(wú)關(guān)的信息，隨后將提取的信息轉(zhuǎn)化為適合分析研究的表達(dá)方式，以供研究，在這里主要介紹三種特征的表達(dá)方式：統(tǒng)計(jì)約簡(jiǎn)法、特征譜法、譜線(xiàn)法。

2.1統(tǒng)計(jì)約簡(jiǎn)法

這是在目前的實(shí)際探索中，應(yīng)用最廣泛的一種提取方式，它的優(yōu)點(diǎn)是便于操作及使用。使用過(guò)程是對(duì)天體輻射能量進(jìn)行分解、重組和取舍，盡可能的去除冗余和噪聲，并及時(shí)的將信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

2.2特征譜法

特征譜法可以看作是人工"光譜"，主要包括兩種構(gòu)造方法：一種是強(qiáng)調(diào)頻譜特征的準(zhǔn)確表征，相關(guān)研究者基于觀(guān)測(cè)光譜流量的中值法和幾何均值法研究了類(lèi)星體特征普的構(gòu)造；第二種是強(qiáng)調(diào)對(duì)觀(guān)測(cè)光譜近似表達(dá)能力，這一方面的相關(guān)研究者根據(jù)PCA方法研究了恒星特定譜的構(gòu)造。

2.3譜線(xiàn)法

譜線(xiàn)法的優(yōu)點(diǎn)是物理意義強(qiáng)，易于解釋?zhuān)灿衅湎嚓P(guān)的局限性：儀器、波長(zhǎng)和流量標(biāo)定情況對(duì)于譜線(xiàn)的描述影響較大等。

三、軟件簡(jiǎn)介

目前應(yīng)用較為廣泛且使用性能好的光譜分析軟件有以下7種：

3.1VOSpec軟件

VOSpec軟件在使用過(guò)程中，利用了光譜訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議，對(duì)數(shù)據(jù)的組織功能強(qiáng)大，用戶(hù)在使用時(shí)可以通過(guò)天體名稱(chēng)或坐標(biāo)在光譜庫(kù)中進(jìn)行有效的相關(guān)檢索。VOSpec軟件標(biāo)準(zhǔn)功能主要有光譜分析和擬合光譜能量分布兩種，能夠?yàn)橛脩?hù)提供可靠的光譜處理功能，在有效時(shí)間內(nèi)整合來(lái)自不同的數(shù)據(jù)提供者、波段和元數(shù)據(jù)光譜。

3.2VOSED軟件

通過(guò)簡(jiǎn)單的光譜訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議，VOSED軟件可以進(jìn)行在線(xiàn)查詢(xún)光譜信息，并及時(shí)合成光譜能量分布。目前，VOSED軟件有兩種工作模式：?jiǎn)文繕?biāo)模式和多目標(biāo)模式。單目標(biāo)模式是指用戶(hù)在輸入目標(biāo)名稱(chēng)后，VOSED通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)現(xiàn)實(shí)該目標(biāo)的的相關(guān)信息；多目標(biāo)模式是指，用戶(hù)在工作中可以實(shí)時(shí)的監(jiān)控查詢(xún)狀態(tài)，查詢(xún)結(jié)束后可以創(chuàng)建相關(guān)的壓縮文件。VOSED的查詢(xún)界面和顯示界面如下圖：

3.3Spec View軟件

Spec View軟件不僅能夠讀取哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)格式，還可以讀取其他科學(xué)設(shè)備的光譜，并通過(guò)虛擬天文臺(tái)查詢(xún)并讀取數(shù)據(jù)。它的功能主要包括：光譜單位轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、繪圖注釋、可視化參數(shù)自定義、平鋪繪圖等。

3.4Iris軟件

Iris軟件主要有NED數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)可視化和自定義、光譜模型擬合光譜能量分布和非常規(guī)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換工具四個(gè)特點(diǎn)。Iris可以讀取多個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)源或光譜能量分布，用戶(hù)可以通過(guò)Iris的紅移法、插值法、集成法三種方法來(lái)創(chuàng)建光譜能量分布。

3.5SPLAT軟件

SPLAT軟件在工作過(guò)程中能夠同時(shí)讀取多個(gè)光譜，并進(jìn)行單個(gè)或多個(gè)顯示。它的功能主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：查詢(xún)和下載光譜的簡(jiǎn)單光譜訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議；在桌面上使用的簡(jiǎn)單應(yīng)用程序傳遞消息。

3.6CASSIS軟件

CASSIS軟件主要有譜線(xiàn)認(rèn)證、構(gòu)造任何望遠(yuǎn)鏡的理論光譜、比較望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)和和各種模型光譜數(shù)據(jù)及估計(jì)光譜物理參量四個(gè)特點(diǎn)，可以通過(guò)簡(jiǎn)單應(yīng)用程序消息傳遞協(xié)議使數(shù)據(jù)在不同的天文軟件間傳遞和交互操作。

3.7ASERA軟件

ASERA軟件的特點(diǎn)：譜線(xiàn)能夠隨鼠標(biāo)而動(dòng)，同時(shí)紅移值自動(dòng)給出；自定義可視化；批處理程序，可以同時(shí)處理多個(gè)光譜；光譜平滑等。用戶(hù)借助ASERA軟件可以輕松識(shí)別光譜和估測(cè)紅移，尤其對(duì)低質(zhì)量光譜的識(shí)別。

結(jié)束語(yǔ)：

在未來(lái)的天文學(xué)發(fā)展中光譜軟件的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛，相信隨著天文學(xué)家和研究者的互動(dòng)，光譜分析軟件會(huì)朝著方便快捷、強(qiáng)大有效的方向繼續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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